CN114666367A - 一种基于产品设备模式的通用物联网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于产品设备模式的通用物联网系统，包括数据通信模块、云端管理模块和数据可视化模块。本发明设计了一种基于产品设备模式的管理方法，使用户可根据不同场景定制产品设备结构，满足不同的业务需求，增强了物联网系统的通用性。本发明设计了一种设备和云端之间统一安全的数据通信模式，提高了物联网系统的安全性。本发明设计了一个通用可视化前端，以图表等多种形式动态展示产品设备信息和设备数据，方便数据监控和分析。

Description

一种基于产品设备模式的通用物联网系统
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于产品设备模式的通用物联网系统。
背景技术
物联网是将互联网和万物相连，进行信息交互和数据通信的网络。它使得人与物之间的交互更加便捷，使得物与物之间的交互更加智能。近年来，随着传感器技术日益稳定，通信技术更加高效，大数据和人工智能技术快速发展，人们对自然界数据的获取能力不断增强，这使得物联网技术蓬勃发展，物联网应用在各行各业日益增多。
然而不同的行业和应用场景有各自的特点，物联网应用往往需根据业务需求进行特殊定制。目前物联网应用从设备接入到设备管理、数据显示都没有统一的标准和流程，这导致每个系统有各自的通信方式和数据处理方法，使得系统整体开放性差，不同系统之间无法互通。
每个物联网应用都具备数据感知层、数据处理层，数据应用层三层架构，其中多项工作都具有重复性，数据通信、设备管理、数据存储、数据可视化等功能在不同系统中都被重复开发，这大大增加了物联网系统的开发成本，降低了开发效率。
同时随着物联网技术的广泛应用，与之相关的安全问题也日益突出，特别是终端设备和云端之间数据通信的安全问题。攻击者可劫持设备发送的数据，以获得用户的隐私信息，攻击者可伪造云端发送的指令，恶意操纵设备。
发明内容
本发明提供了一种基于产品设备模式的通用物联网系统，用以解决上述物联网应用中存在的问题和需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于产品设备模式的通用物联网系统，包括云端管理模块、数据通信模块和数据可视化模块，其中：
所述云端管理模块用于用户自定义产品设备结构，以满足不同场景下的业务需求，包括产品设备管理子模块和数据处理子模块；
所述产品设备管理子模块负责管理产品信息、产品属性和设备信息三部分，其中产品是对同一类设备的统一抽象，用于描述该类设备统一具有的结构信息，而设备下属于产品，具备其自身独有的信息；设备在云端注册完成时，云端会自动创建设备数据表用于保存对应属性数据，其结构由该表拥有的产品属性确定；
所述数据处理子模块订阅所有设备的相关主题，与设备进行数据通信；解析校验设备传输数据，将其保存到对应设备的设备数据表中，并提供相关接口供数据可视化模块获取数据；
所述数据通信模块用于建立设备和云端之间统一安全的数据通信模式，以mqtt通信协议为基础，终端设备和云端数据处理子模块作为mqtt客户端，根据发布订阅模式进行数据通信；所述数据通信模块规定了设备和云端通信时特定的mqtt主题、数据格式和数据通信流程；
所述数据可视化模块用于展示产品设备信息和设备数据，进行数据监控和分析。
进一步地，所述产品信息保存在产品信息表中，主要字段有产品名称、产品描述和数据表名，其中数据表名字段规定了下属设备拥有哪些存放数据的设备数据表。
进一步地，所述产品属性代表设备检测的某一种数据，例如温度、湿度等；所述产品属性保存在产品结构表中，主要字段有属性标识符、数据类型、数据长度、属性单位、图标、颜色和所属表，其中图标和颜色字段用于数据可视化模块展示该属性数据，所属表字段代表该属性数据将会保存在哪一张设备数据表中。
进一步地，所述设备信息保存在设备信息表中，主要字段有设备id、设备状态和设备密码，其中设备状态代表设备的运行状态，包括离线、在线、异常等，设备密码字段将作为密钥数据传输时的密钥。
进一步地，所述数据通信模块以mqtt通信协议为基础，建立MQTT代理服务器作为数据传输中心；终端设备和云端数据处理子模块作为mqtt客户端，根据发布订阅模式进行数据通信，因此本系统所能接入的设备需具备mqtt消息发布订阅功能；所述数据通信模块采用json作为数据传输格式，采用xxtea算法作为数据加密方法；所述数据通信模块规定了设备和云端通信时特定的mqtt主题、数据格式和数据通信流程。
进一步地，所述数据通信模块规定的特定mqtt主题包括以下四种：
“设备id/设备数据表名”：用于设备向云端发布该表对应的属性数据；
“设备id/key”：用于设备向云端发送xxtea算法的密钥；
“设备id/success”：用于云端解析校验数据成功后向设备发送成功提示信息；
“设备id/error”：用于云端解析校验数据失败后向设备发送错误提示信息。
进一步地，所述数据通信模块规定的特定数据格式由属性数量和属性数据数组组成，属性数量用于确保数据信息是否完整，单个属性数据由属性名、属性值和属性单位组成。
进一步地，所述数据通信模块规定的特定数据通信流程包括：
设备接入：首先需在云端产品设备管理子模块创建产品，构建产品属性，完成设备注册；
密钥传输：设备随机生成密钥数据，用设备密码对密钥数据进行加密，将加密后的密钥数据向“设备id/key”主题发布；云端数据处理子模块收到该主题数据，使用设备密码解密，经解析校验获取密钥数据并保存；
数据传输：设备以特定数据格式保存对应设备数据表相关属性数据，利用上一步生成的密钥数据进行加密，向“设备id/设备数据表名”主题发送加密后的数据；云端数据处理子模块收到该主题数据，使用密钥解密获取数据，经解析校验，将该数据保存至对应的设备数据表中；
错误发布：当云端解析校验数据失败时，会向“设备id/error”主题发送错误提示消息，失败情况包括设备未注册、密钥未发送或密钥过期、数据结构错误；
成功发布：当云端解析校验数据成功时，会向“设备id/success”主题发送成功提示信息。
进一步地，所述数据可视化模块构建前端数据大屏，该模块动态获取产品设备信息和设备数据，以图表等多种形式动态展示数据，方便管理与分析；所述图表包括折线图、柱状图、雷达图、饼图和地图等。
本发明的有益效果是：本发明设计了一种产品设备管理模式，使用户可自定义产品设备结构，以满足不同业务场景需求。本发明设计了一种统一的设备接入方式，使得不同类型的终端设备都可接入本系统。本发明设计了一种数据通信方式，提高了设备和云端之间通信的安全性。本发明设计了一个数据可视化前端，可动态显示不同产品不同设备的信息和数据，方便用户监控和分析数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统整体架构示意图；
图2为本发明终端设备接入系统到数据展示的流程图；
图3为本发明某设备实例接入系统时相关数据表情况图；
图4为本发明终端设备和云端间通信模式的示意图；
图5为本发明数据可视化模块结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供的基于产品设备模式的通用物联网系统，包括数据通信模块、云端管理模块和前端数据可视化模块；数据通信模块建立了一种终端设备和云端之间安全稳定的数据通信方式；云端管理模块包括数据处理子模块和产品设备管理子模块，用于管理产品设备信息和设备数据；前端数据可视化模块以图表等多种形式动态展示云端管理的数据。
如图1所示，数据通信模块以mqtt通信协议为基础，建立MQTT代理服务器作为数据传输中心。终端设备和云端数据处理子模块作为mqtt客户端，通过发布订阅模式进行数据通信，因此本系统所能接入的设备需具备mqtt消息发布订阅功能。云端数据处理子模块管理终端设备发送的数据，并将数据保存在对应设备的设备数据表中。产品设备管理子模块管理管理产品信息、产品属性和设备信息，并将数据保存在产品信息表、产品结构表和设备信息表中。前端数据可视化模块部署于web网页端，其获取产品设备信息和设备数据，以图表等多种形式组成前端大屏，用于数据监控和分析。
如图2所示，终端设备完成开发后，首先需在云端产品设备管理子模块创建产品。产品是对同一类设备的统一抽象，用于描述该类设备统一具有的结构信息，而设备下属于产品，具备其自身独有的信息。产品基础信息存在产品信息表中，主要字段有产品名称、产品描述和数据表名，其中数据表名字段规定了下属设备拥有哪些存放数据的设备数据表。接着构建产品属性，属性代表设备检测的某一种数据，例如温度、湿度等。产品属性保存在产品结构表中，主要字段有属性标识符、数据类型、数据长度、属性单位、图标、颜色和所属表，其中图标和颜色字段用于数据可视化模块展示该属性数据，所属表字段代表该属性数据将会保存在哪一张设备数据表中。产品构建完毕后即可注册下属设备，设备信息保存在设备信息表中，主要字段有设备id、设备状态和设备密码，其中设备状态代表设备的运行状态，包括离线、在线、异常等，设备密码字段将作为密钥数据传输时的密钥。设备在云端注册完毕后会自动创建设备数据表用于保存对应属性数据，其命名格式为“设备id_表名”，其结构由该表拥有的产品属性确定。设备注册完成后，设备和云端之间即可成功通信，数据处理子模块将接收解析相关主题的数据，将其存入对应设备的设备数据表中。前端数据可视化模块可从云端服务器获取产品设备信息和设备数据，动态展示数据。
如图3所示，现有一个名为device1的设备实例需接入系统。首先创建名为device的产品，其拥有info和alarm两张表。然后构建产品属性，该产品有温度、湿度和高温报警三种属性，其中温度和湿度属于info表，高温报警属于alarm表。产品构建完毕后即可注册设备device1，其密码为123456。设备注册完成时，根据产品拥有表和对应属性云端将自动建立device1_info和device1_alarm两张表。此时该设备已完成接入，可开始和云端进行数据通信。
如图4所示，终端设备和云端之间的通信依赖四种主题。现有一个id为device1的设备，其拥有数据表info和alarm。首先该设备需订阅“device1/error”和“device1/success”主题。云端数据处理子模块在该设备完成注册时，即会自动订阅主题“device1/key”、“device1/info”和“device1/alarm”主题。首先设备向“device1/key”主题发送密钥数据，该数据使用xxtea算法加密，设备密码作为密钥，云端解析数据将密钥保存，并向“device1/success”主题发送密钥接收成功消息。密钥传输完成后，设备即可向“device1/info”和“device1/alarm”发送对应属性数据，该数据使用密钥进行加密，云端获取数据解析后，将数据存入device1_info和device1_alarm表中。
云端在数据解析失败时将会向“device1/error”主题发送错误提示信息。在以下情况云端会发送错误信息，解析“device1/key”主题密钥数据失败时、解析“device1/info”和“device1/alarm”主题数据密钥不存在或过期时、“device1/info”和“device1/alarm”主题属性数据结构与存入数据表结构不一致时。同时当云端解析数据失败时，设备状态将变为异常；解析数据成功时，设备状态将变为正常在线；若设备不发送数据，设备状态将变为离线。
如图5所示，前端数据可视化模块动态展示的数据主要包含产品整体数据和设备个体数据两部分。产品整体部分，以文字形式展示产品自身信息和属性结构；以饼图仪表板显示该产品下属设备整体信息，包括设备总个数、设备在线情况和设备运作情况；若产品具有location表，以地图散点图展示设备分布情况。设备个体数据部分，以折线图、柱状图、卡片、表格多种形式展示设备某个属性的数据，同时也具有特殊定制部分，例如以特殊UI展示alarm表警报信息。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
在本说明书一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于产品设备模式的通用物联网系统，其特征在于，包括云端管理模块、数据通信模块和数据可视化模块，其中：
所述云端管理模块用于用户自定义产品设备结构，以满足不同场景下的业务需求，包括产品设备管理子模块和数据处理子模块；
所述产品设备管理子模块用于管理产品信息、产品属性和设备信息；设备在云端注册完成时，云端自动创建设备数据表用于保存对应属性数据，其结构由该表拥有的产品属性确定；
所述数据处理子模块订阅所有设备的相关主题，与设备进行数据通信；解析校验设备传输数据，将其保存到对应设备的设备数据表中，并提供相关接口供数据可视化模块获取数据；
所述数据通信模块用于建立设备和云端之间统一安全的数据通信模式，以mqtt通信协议为基础，终端设备和云端数据处理子模块作为mqtt客户端，根据发布订阅模式进行数据通信；所述数据通信模块规定了终端设备和云端通信时特定的mqtt主题、数据格式和数据通信流程；
所述数据可视化模块用于展示产品设备信息和设备数据，进行数据监控和分析。
2.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述产品信息保存在产品信息表中，主要字段有产品名称、产品描述和数据表名，其中数据表名字段规定了下属设备拥有哪些存放数据的设备数据表。
3.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述产品属性代表设备检测的某一种数据；所述产品属性保存在产品结构表中，主要字段有属性标识符、数据类型、数据长度、属性单位、图标、颜色和所属表，其中图标和颜色字段用于数据可视化模块展示该属性数据，所属表字段代表该属性数据将会保存在哪一张设备数据表中。
4.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述设备信息保存在设备信息表中，主要字段有设备id、设备状态和设备密码，其中设备状态代表设备的运行状态，设备密码字段将作为密钥数据传输时的密钥。
5.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述数据通信模块建立MQTT代理服务器作为数据传输中心，所述系统所能接入的设备需具备mqtt消息发布订阅功能；所述数据通信模块采用json作为数据传输格式，采用xxtea算法作为数据加密方法。
6.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述数据通信模块规定的特定mqtt主题包括以下四种：
“设备id/设备数据表名”：用于设备向云端发布该表对应的属性数据；
“设备id/key”：用于设备向云端发送xxtea算法的密钥；
“设备id/success”：用于云端解析校验数据成功后向设备发送成功提示信息；
“设备id/error”：用于云端解析校验数据失败后向设备发送错误提示信息。
7.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述数据通信模块规定的特定数据格式由属性数量和属性数据数组组成，属性数量用于确保数据信息是否完整，单个属性数据由属性名、属性值和属性单位组成。
8.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述数据通信模块规定的特定数据通信流程包括：
设备接入：在云端产品设备管理子模块创建产品，构建产品属性，完成设备注册；
密钥传输：设备随机生成密钥数据，用设备密码对密钥数据进行加密，将加密后的密钥数据向“设备id/key”主题发布；云端数据处理子模块收到该主题数据，使用设备密码解密，经解析校验获取密钥数据并保存；
数据传输：设备以特定数据格式保存对应设备数据表相关属性数据，利用密钥传输过程生成的密钥数据进行加密，向“设备id/设备数据表名”主题发送加密后的数据；云端数据处理子模块收到该主题数据，使用密钥解密获取数据，经解析校验，将该数据保存至对应的设备数据表中；
错误发布：当云端解析校验数据失败时，向“设备id/error”主题发送错误提示消息，失败情况包括设备未注册、密钥未发送或密钥过期、数据结构错误；
成功发布：当云端解析校验数据成功时，向“设备id/success”主题发送成功提示信息。
9.根据权利要求1所述的通用物联网系统，其特征在于，所述数据可视化模块构建前端数据大屏，该模块动态获取产品设备信息和设备数据，以图表形式动态展示数据，方便管理与分析；所述图表包括折线图、柱状图、雷达图、饼图和地图。
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